Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
rsu594.pdf
Скачиваний:
67
Добавлен:
23.03.2015
Размер:
2.17 Mб
Скачать

Глава 1

37

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

Лаплас

Для этих производных справедлив аналог предыдущей теоремы, которые мы сформулируем в следующем частном случае: если все смешан-

ные производные

3 f

,

3 f

,

3 f

определены в некоторой окрест-

x2y

xyx

yx2

 

 

 

 

ности точки (x0, y0 ) и непрерывны в этой точке, то они принимают одинаковые значения в точке (x0, y0 ).

Аналогично определяются производные более высоких порядков. В заключение приведем следующее определение.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Функция f , определенная в некоторой области D

пространства n и имеющая в каждой точке области D все частные производные второго порядка, непрерывные в области D, называется дважды непрерывно дифференцируемой в области D .

9. Оператор Лапласа

Предположим, что функция u определена и дважды непрерывно дифференцируема в области D 2 . Поставим ей в соответствие функ-

цию u , определенную в области D условием: u = 2u + 2u . Отобра-

x2 y2

жение :u → ∆u называется оператором Лапласа.

ЗАМЕЧАНИЕ. Иногда для оператора Лапласа используется следующая запись: ∆ = x22 + y22 .

Найдем выражение для оператора Лапласа в полярных координатах. Рассмотрим соотношения,

x = r cosϕ, y = r sinϕ.

( )

Глава 1

38

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

связывающие декартовы и полярные координаты на плоскости. Выполним сначала вспомогательные построения — найдем частные производные от r и ϕ по x и y . Беря частные производные по переменной x , из соотношений ( ) получаем систему уравнений:

xr cos ϕ r sinϕ ϕx =1,

r sinϕ + r cosϕ ϕ = 0.

x x

Умножая первое уравнение на cosϕ , второе — на sinϕ и складывая полу-

ченные соотношения, находим, что xr = cosϕ . Умножая первое уравнение на sinϕ, а второе — на cosϕ и складывая полученные соотношения, по-

лучим: r

ϕ

= −sinϕ . Отсюда следует, что

ϕ

= −sinϕ

. Дифференцируя

 

x

 

x

r

 

соотношения ( ) по y , аналогично находим: yr =sinϕ , ϕy = cosr ϕ .

Теперь, пользуясь найденными соотношениями, находим:

ux = ur xr + ϕu ϕx = cosϕ ur sinrϕ ϕu , uy = ur yr + ϕu ϕy =sinϕ ur + cosr ϕ ϕu .

Используя последние соотношения, находим (одинаковым цветом выделены фрагменты формул до и после преобразования):

 

 

 

 

2u

 

 

 

 

u

 

 

sinϕ

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

=

 

cosϕ

r

 

 

r

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= cosϕ

u

+

(cosϕ)

u

sinϕ

 

 

 

u

 

sinϕ

 

u

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

r

 

r

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

r

ϕ

 

x

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

sinϕ

 

 

2u

 

sin2 ϕ

 

u

 

 

 

 

 

 

= cosϕ cosϕ

r2

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

+

 

r

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1

39

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

 

 

sinϕ

 

 

 

 

 

2u

 

 

sinϕ

 

 

2u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

rϕ

r

 

ϕ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosϕ

 

sinϕ

r sinϕ cosϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r2

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

 

= cos

2

ϕ

2u

 

2sinϕcosϕ

 

 

2u

 

+

 

 

 

 

 

r2

 

 

r

 

 

rϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+sin2 ϕ

 

2u

 

+ sin2 ϕ u

+ 2sinϕcosϕ

u

.

ϕ2

 

r2

 

 

 

r

 

r

 

 

 

r2

 

 

 

 

 

ϕ

Аналогично находим соотношение

2u

=sin

2

ϕ

2u

+

2sinϕcosϕ

 

2u

+

y2

 

r2

r

rϕ

 

 

 

 

 

 

+ cos2 ϕ

 

2u

+

r2

 

ϕ2

 

Из найденных формул для 2u

x2

cos2 ϕ

 

u

2sinϕcosϕ

 

u

.

r

r

r2

ϕ

 

 

 

 

и2u , окончательно находим:

y2

u =

2u

+

1

 

2u

+

1

 

u .

r2

r2

ϕ2

r

 

 

 

 

 

r

10. Неявные функции

Предположим, что на плоскости 2 задана некоторая функция F .

Рассмотрим

множество всех точек,

удовлетворяющих уравнению

F(x, y) = 0.

Часто при дополнительных

условиях для некоторых значе-

ний x можно найти единственное значение y , удовлетворяющее уравнению F(x, y) = 0. Такой способ задания функции y = y(x) называется неявным, а сама эта функция — неявной. Функция y = y(x) при некоторых условиях будет и дифференцируемой.

Глава 1

40

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

Справедливо следующее утверждение.

ТЕОРЕМА 11. Предположим, что функция F имеет в некоторой ок-

рестности точки (x , y ) непрерывные частные производные

F ,

F и

0

0

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

выполняются следующие условия: F(x , y ) = 0, F(x0, y0 )

0 .

Тогда су-

 

0

0

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ществует прямоугольник {(x, y) :| x x0 |α, | y y0 |β}, в котором функ-

ция Fy (x, y) нигде не обращается в ноль и уравнение F(x, y) = 0 определя-

ет y как неявную функцию от x . Последняя функция является непрерывно дифференцируемой на интервале (x0 α, x0 +α) и ее производная мо-

 

 

F (x, f (x))

 

жет быть найдена по формуле f

 

 

x

 

 

 

 

 

 

(x) =

F

(x, f (x)) .

 

 

 

 

 

 

 

y

 

Мы опускаем доказательство этой теоремы. Поясним только ее фор-

мулировку. Теорема утверждает,

что для любого x [x0 α, x0 +α]

урав-

нение F(x, y) = 0 с неизвестной y имеет единственное решение y ,

при-

надлежащее отрезку [y0 β, y0 + β]. Обозначим эту функцию следующим образом: y = f (x). Теорема утверждает, что эта функция непрерывно дифференцируема во всех внутренних точках отрезка [x0 α, x0 +α]. Из условия F(x0, y0 ) = 0 следует, что выполняется равенство f (x0 ) = y0 , то есть график этой функции проходит через точку (x0, y0 ).

Покажем, как выглядят эти условия в случае окружности на плоско-

сти.

Рассмотрим уравнение F(x, y) = 0, где F(x, y) = x2 + y2 1. Функция F имеет непрерывные производные во всех точках плоскости. Уравнение F(x, y) = 0 задает единичную окружность. Имеет место равенство

Глава 1

41

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

F(x, y) = 2y .

y

Воспользуемся приведенной теоремой. Возьмем любую точку (x0, y0 ),

удовлетворяющую условию F(x0, y0 ) = 0. Условие F(x0, y0 ) = 2y0 0 да-

y

ет дополнительное ограничение y0 0 , то есть точка окружности (x0, y0 ) не принадлежит оси Ox . Теорема утверждает, что существует прямоугольник с центром в точке (x0, y0 ), в котором уравнение F(x, y) = 0 определяет y как однозначную функцию от x .

Это видно на приведенном выше рисунке, где точка окружности, указанная справа может быть окружена прямоугольником (прямоугольник зеленого цвета), обладающим указанными в формулировке теоремы свойствами. Точка окружности, лежащая на оси абсцисс, то есть не удовлетворяю-

щая условию F(x0, y0 ) 0 , не может быть окружена таким прямоуголь-

y

ником (один из вариантов — прямоугольник красного цвета). В частности, в такой прямоугольник попадают точки, абсциссы которых удовлетворяют условию x < −1. Точек с такими абсциссами на рассматриваемой окружности нет. Кроме того, для точек оси абсцисс, удовлетворяющих условию x > −1 и попадающий в прямоугольник красного цвета, имеются два зна-

Глава 1

42

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

чения y , для которых выполняется соотношение F(x, y) = 0. Подчеркнем, что отмеченные свойства имеют место для любого прямоугольника с центром в точке (1,0) .

Вернемся к формулировке теоремы и выведем формулу для нахождения производной неявной функции. При выполнении ее условий найдет-

ся единственная функция

y = f (x), x0 α x x0 +α , такая,

что для всех

значений x из указанного промежутка выполняется соотношение

 

F(x, f (x)) = 0.

 

Если x0 α < x < x0 +α ,

то функция f непрерывно дифференцируема.

Дифференцируя тождественное соотношение F(x, f (x)) 0

по x при

x0 α < x < x0 +α , получаем:

d

F(x, f (x)) 0,

F

(x, f (x)) +

F

(x, f (x)) df (x)

0.

dx

x

y

 

 

dx

 

Отсюда, разрешая последнее соотношение относительно f (x), находим искомую формулу.

ПРИМЕР. Доказать, что для уравнения

2x3 y y5 3x3 +5x2 7x +3 = 0

выполняются условия теоремы в точке (2,1). Найти производную неявной функции y = y(x).

РЕШЕНИЕ. Имеем соотношения

(2x3 y y5 3x3 +5x2 7x +3) x=2 = 0 ,

y=1

(2x3 y y5 3x3 +5x2 7x +3)

 

= (2x3 5y4 )

 

x=2 =110.

 

 

y

x=2

 

 

 

y=1

 

 

 

 

 

y=1

 

 

 

Отсюда следует, что существует прямоугольник с центром в точке (2,1), для которого справедливо утверждение теоремы о неявной функции. Учитывая, что

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]